摘要：传统的风力发电机组直接并网和降压并网都会在并网瞬问产生很大的冲击电流，基于定子磁链定向的双馈发电机组空载并网，由于并网前定子磁链的检测不准确也会对电网造成冲击。根据变速恒频双馈风力发电机组的运行特点，通过对其数学模型的分析，建立了双馈异步发电机的空载数学模型，研究r其基于电网电压定向的空载并网控制策略，避免了由于定子磁链准确造成的电网冲击。试验结果表明，该控制策略可以实现大容量风电机组的无冲击软并网，是一种理想的风电机组并网方式。

  关键词：双馈发电机；空载并网：电网电压定向

  中图分类号：TM315文献标识码：A文章编号：1673-6540(2010)03-0046-04

    传统的风力发电并网技术主要有直接并网和降压并网两种形式，在并网瞬间会产生很大的冲击电流，进而引起电网电压波动。随着风电机组的单机容量越来越大，这种冲击是必须要避免的。变速恒频双馈风力发电机组在发电机和电网之间构成了柔性连接，可以通过调节转子励磁电流实现在不同转速下的软并网，避免并网时发生电流冲击和过犬的电压波动。

    变速恒频双馈风力发电机组的并网方式主要有负载并网和空载并网两种形式。这两种并网方式都允许机组转速在较大的范围内变化，并且其定子电压均能迅速向电网电压收敛，对电网的冲击较小。其中负载并网形式下，并网前，发电机参与原动机的能量控制，定子有电流，并网控制所需要的信息不仅取自电网侧，还取白定子侧，控制策略较为复杂。而空载并网使用设备少，并网前发电机不参与原动机的能量控制，定子电流为0，所以其控制方程可以降阶，简化算法。目前的双馈风力发电机的空载并网大多采用定子磁链定向的空载并网方式，它通过调节转子励磁电流对双馈异步电机的定子电压进行调节，在双馈异步电机的定子电压和电网电压的幅值、频率和相位完全相同时进行并网，并网完成后将其从并网控制切换到发电控制，根据实际风速进行功率的实时调整。但是在双馈异步电机没有并网之前，定子磁链并不是恒定不变的，定子磁链的检测和定向都不可能做到十分准确，从而使得空载并网的控制性能恶化，不可避免地对电网产生冲击。而采用电网电压定向的空载并网方式不需要观测定子磁链，避免了由于定子磁链检测不准确而造成的并网性能恶化，使并网过程更加顺滑，真正实现不同转速下的无冲击并网。

    本文对变速恒频双馈风力发电机在电网电压定向下的空载并网策略进行了深入的分析和研究，并建立了一套7.5 kW的风力发电试验平台，对整个并网过程进行了详细的试验研究，试验结果表明本文提出的空载并网控制策略可以有效地实现双馈风力发电机的无冲击并网。

    双馈电机定子侧、转子侧均采用电动机惯例，在同步旋转d-q坐标系下的数学模型由下述电压方程、磁链方程、电磁转矩方程及运动方程组成[4，6]。

 

   

  

  空载并网方式是在并网前发电机不带负载，不参与风电机组的能量和转速控制，发电机定子端开路，此时有式(5)成立：

                     

  在式(5)约束下，双馈异步发电机的磁链方程变为：

                  

  将式(5)所示的约束关系及空载时的磁链方程式(6)代人到双馈异步发电机的电压方程中，可得：

       

   而双馈异步发电机在空载时的运动方程可表示为：

     

    式(6)~(8)构成了双馈异步发电机的空载数学模型。

    在二相同步旋转坐标系下将d轴与电网电压矢量重合，以实现双馈异步发电机的电网电压定向，此时有usd=Us，Usq=O，忽略定子电阻，于是空载状态下的双馈异步发电机的定子电压方程可以简化为：

            

于是可得：

                

    忽略转子电流的动态变化，有式(11)成立：

                  

    由式(11)可见，并网前双馈异步发电机空载，定子电流为零，提取电网的电压信号（包括频率、相位、幅值）作为依据，通过变频器对发电机转子电流isd，isq进行控制，可以建立额定的定子励磁和调节双馈异步电机的定子电压，当双馈异步电机的定子电压和电网电压在幅值、频率和相位上完全相同时进行并网。

    转子电流的控制可由双脉宽调制(PWM)变频器输出的转子激励电压实现。由双馈异步发电机的转予电压方程可得：

   

    式(12)可作为电网电压定向的双馈变速恒额风力发电卒载并网前，双馈异发电机转子电流内环控制器的设计依据，其中urd，urq为实现转子电压、电流解耦控制的解耦项，△urd，△urq为消除转子电压、电流交叉耦合的补偿项。有了urd，urq后，就可以通过2／3变换得到三相坐标下的转子电压量，用作产生PWM波转子励磁电源控制所需要的指令信号，用于控制逆变主电路开关管的通断，产生所需频率、大小、相位的三相交流转子励磁电流，以保证双馈异步发电机的定子端电压和电网电压在幅值和相位上一致，从而顺利实现无冲击并网。

    转子电流和定子电压的关系由式(ll)确定，定子电压的参考值取为电网电压经过3s／2r变换之后的d，g轴分量：

                     

 

    为了抑制电网电压波动带来的影响，对定子电压的d，g轴分量进行PI控制，其调节器的输出分别作为转子电流d,q轴分量参考值的给定，即：

           

   综上所述，可以得到转子侧变频器空载并网的控制框图，如图1所示。并网前，采用外环定子电压环，内环转子电流环的并网控制策略。

  

    空载并网控制时，首先检测电网的三相电压uga、ugb、ugc，经锁相环和3 s/2r变换后分别计算出电网电压矢量相角θs，和电网电压的d—q轴分量幅值ugd、ugq检测定子三相电压ugd、ugq与usd、usq，计算出定子电压矢量的幅值和相角θs经3 s／2r变换得到定子电压d-q轴分量的幅值usd，usq。经PI调节器后分别得到转子电流无功参考值zj和转子电流有功参考值i与转子电流反馈量比较后的差值经PI调节器输出，加上补偿电压得到转子控制电压。最后经过2r/3s变换即可得到发电机转子三相控制电压量，实现对双馈异步发电机的空载并网控制。当定子电压建立且满足并网条件时，通过控制并网接触器闭合实现双馈电机并网。

    为了验证本文提出的空载并网控制策略的有效性，建立了一套7.5 kW的双馈风力发电机试验平台，整个系统主要由虚拟风机、双馈发电机、电压型交直交PWM变频器、数字信号处理器(DSP)等组成，其系统框图如图2所示。

       

  其中，虚拟风机主要由一台直流电机和SIE-MENS公司的SIIVIOREC6RA70直流调速装置组成。双馈电机采用绕线式异步电动机。AC-DC—AC变频器由背靠背的三相整流／逆变器智能功率模块(IPM)组成，两者之间通过带电容的平面母线相连。变频器一侧通过电感与电网相连，另一侧接到双馈电机的转子侧。DSP采用TI公司的定点DSP-TMS320LF2812．DSP从光电编码器、电流传感器( CT)、电压传感器(PT)采样，执行交流励磁变速恒频风力发电的电网电压定向的空载并网控制策略。

     

    图3、4为并网过渡过程的试验波形。其中图3是并网时刻定子线电压和电网线电压的波形，从网中町以看出，在并网之前定子电压和电网电压在频率、幅值和相位上都高度吻合，完全满足r无冲击软并网的条件。图4是并网时刻定子线电压、定子相电流和转子电流的波形，从图中可以看到，在并网时刻，没有冲击电流出现，说明该并网方式可以实现变速恒频双馈风力发电机组的软并网，使其财电网的冲击为零。

           

  变速恒频双馈风力发电机组使机组与电网之间构成了一种柔性连接，理论上可以在任意时刻实现无冲击并网。传统的基于定子磁链定向的空载并网方式由于在发电机未并网前的定子磁链检测困难，使得定向不准确会造成对电网的冲击。本文通过对双馈异步发电机的矢量变换控制分析，研究了一种基于电网电压定向的变速恒频双馈风力发电机组的空载并网控制策略。该控制策略无需检测定子磁链，响应快速，可以实现大容量机组的无冲击软并网，试验结果验证了该控制策略的有效性。